"Anstatt Feuerlöschen und Großreparaturen"
Bei der Diagnose von Fehlern in asynchronen Elektromotoren kann als Grundannahme akzeptiert werden, dass elektrische Drehmaschinen als mechanisches System mit denselben Methoden wie jede andere Drehmaschine untersucht werden können. Aufgrund des Aufbaus und der Funktionsweise elektrischer Drehmaschinen treten jedoch nicht nur die mechanischen Belastungen und die daraus resultierenden Vibrationen auf, die bei angetriebenen Drehmaschinen auftreten.
Die elektromechanische Energieumwandlung in elektrischen Drehmaschinen erfolgt durch die Vermittlung elektromagnetischer Felder. Die dabei entstehenden Kräfte erzeugen jedoch nicht nur das gewünschte Drehmoment, sondern verursachen auch eine zeitliche und richtungsabhängige Beanspruchung der einzelnen Maschinenelemente - und damit deren mechanische Verformung. Wenn ein elektrisches Element einer elektrischen Drehmaschine aus elektrischer Sicht beschädigt wird, führt dies zu einer ungleichmäßigen Verteilung des elektromagnetischen Feldes. Folglich muss mit einer größeren, asymmetrischen oder zeitlich stark variierenden mechanischen Belastung der einzelnen Maschinenelemente gerechnet werden. Bei Motoren kann bei höherem Stromverbrauch weniger mechanische Leistung erzielt werden, während bei Generatoren die abgegebene elektrische Energie bei gleichzeitiger mechanischer Energieübertragung abnimmt. Die durch den Wirkungsgradverlust verursachten größeren Verluste verwandeln sich in Wärme, wodurch die thermische Belastung der Bauteile zunimmt.
Ursachen für elektrisch angeregte mechanische Vibrationen
Magnetisierungsfrequenz (magnetostriktiver Effekt) Das Drehmoment von elektrischen Drehmaschinen entsteht durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Felder des Stator- und Rotorbereichs. Wenn z. B. der Stator eines Asynchronmotors an ein 50-Hz-Netz angeschlossen wird, werden die Pole des Stators während einer Periode des Netzes zweimal magnetisiert. Das bedeutet, dass die Pole des Stators und alle Komponenten in ihren elektromagnetischen Feldern einer sinusförmig pulsierenden Kraftwirkung mit der doppelten Netzfrequenz ausgesetzt sind (magnetostriktiver Effekt).
Die Pole des Stators von Asynchronmotoren sind immer paarweise angeordnet, damit die Feldlinien den Rotor durchdringen können. Andernfalls gäbe es keine Induktion, keine Kraftwirkung und letztendlich kein Drehmoment. Durch die paarweise Anordnung - vorausgesetzt, dass der Stator- und Rotorteil zylindersymmetrisch sind und der Rotorteil perfekt in der Mitte des Stators positioniert ist - gleichen sich die radialen (Vibrationen erzeugenden) Kräfte genau aus. Da die magnetische Feldstärke stark von der Luftspaltweite zwischen Rotor- und Statorbereich abhängt, ist offensichtlich, dass bei einem nicht in der Mitte des magnetischen Feldes positionierten Rotorteil ungleichmäßige radiale Kräfte entstehen. Derselbe vibrationsauslösende Effekt tritt auf, wenn von vornherein ein asymmetrisches elektromagnetisches Feld entsteht, z. B. wenn in den Statorwicklungen unterschiedlich große Ströme fließen oder die Wicklungen unterschiedliche magnetische Felder erzeugen. Dies kann auch aufgrund von Fertigungsfehlern, lockeren Kabelverbindungen oder Wicklungsschlüssen auftreten. Die resultierenden Kräfte treten in jedem Fall mit der doppelten Netzfrequenz auf. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einphasigen Asynchronmotoren nicht das erwähnte ideale - symmetrische - magnetische Feld entsteht, sondern ein sogenanntes rotierendes elliptisches elektromagnetisches Feld, das in eine große Amplitudenfrequenz (50 Hz) und eine gegenläufige, kleinere Amplitudenfrequenz von 100 Hz aufgeteilt werden kann. Daher sind bei diesen Motoren immer deutlich die 100-Hz-Vibrationsspitze und deren Schleppfrequenz-Seitenbänder spürbar.
Rotorstab- und Nutfrequenz-Vibrationen Der Rotor eines Elektromotors ist in der Regel kein homogener Körper, z. B. werden Induktionsmotoren (Asynchronmotoren) mit eingebauten Leitern (Rotorstäben) ausgestattet. Diese sind entscheidend für die gewünschte elektromagnetische Wechselwirkung: Beim räumlichen Drehen des Rotors entlang des magnetischen Feldes des Rotors passieren die Rotorstäbe die Pole des Stators. Dabei wird in den Stäben eine Spannung induziert, wodurch ein Strom fließt, der ein elektromagnetisches Feld um sie herum erzeugt. Durch die Wechselwirkung des Feldes um jeden Rotorstab mit dem rotierenden elektromagnetischen Feld des Stators entsteht das Drehmoment des Elektromotors. Die durch die Wechselwirkung der beiden Felder erzeugte Kraft erreicht bei jedem Durchgang eines Rotorstabs vor einem Polus ihr momentanes Maximum, sodass Vibrationen mit der Frequenz des Produkts aus der Rotationsfrequenz und der Anzahl der Rotorstäbe - den sogenannten Stabfrequenzen - auftreten.
Das gleiche Phänomen tritt auf, wenn in den Ständerwicklungen unterschiedliche Ströme fließen oder die Wicklungen unterschiedliche magnetische Felder erzeugen. Dies kann durch lockere Kabelverbindungen oder Wicklungsschäden verursacht werden. Die dadurch entstehende Kraft wirkt in jedem Fall mit der doppelten Netzwerkfrequenz (und deren Vielfachen) auf die Bauteile des Elektromotors.
Es gibt eine einfache Methode, um zu entscheiden, ob die Vibrationen elektrischen oder mechanischen Ursprungs sind: Wenn wir die Stromversorgung des Elektromotors ausschalten, hören die elektrisch angeregten Vibrationen sofort auf, während die mechanischen Vibrationen gemäß den in unserem früheren Artikel zur Resonanzsuche beschriebenen Drehzahl abnehmen. Elektrische Probleme verursachen oft Vibrationen, die bei Rotorfehlern auftreten, insbesondere bei Rotorstabbrüchen oder Exzentrizität des Rotors.
Rotorstabbrüche
Elektrisch angeregte Vibrationen treten häufig mit der Netzwerkfrequenz und deren Vielfachen auf. Wenn ein Leiterstab des Rotors gebrochen ist, kann der Induktionsstrom nur durch die benachbarten Stäbe fließen. Bei gebrochenen Rotorstäben ist die Bildung magnetischer Felder und die dadurch entstehende Kraft nicht gleichmäßig.
Die durch den Bruch der Rotorstäbe verursachte ungleichmäßige Kraft führt zu Torsionsschwingungen, die im mechanischen Schwingungsspektrum normalerweise in folgender Form sichtbar werden:
Es ist wichtig zu beachten, dass die Amplitudenmodulation der Maschinenvibrationen bei gebrochenen Rotorstäben lastabhängig ist, während bei exzentrischen Rotoren keine lastabhängige Veränderung auftritt. Bei normalen Elektromotoren nimmt die mechanische Leistung und das Drehmoment des Motors proportional zur Anzahl der gebrochenen Rotorstäbe ab, was sich auf die Drehzahl auswirkt. Weitere Details zu den durch Rotorfehler verursachten Vibrationen gemäß der deutschen Norm VDI 3839:
"Asymmetrien im Rotor führen zu Modulationen der Lager- und Gehäusevibrationen mit der doppelten Schlupffrequenz. Diese sind normalerweise als Maschinengeräusche hörbar. Es gibt auch schwebende Schwingungen im Statorstrom, deren Frequenz gleich der Schlupffrequenz multipliziert mit dem Doppelten der Netzwerkfrequenz ist. Dies kann auf analogen Strommessgeräten durch periodische Anzeigen und mit einem Oszilloskop gut sichtbar gemacht werden.
Die Modulation, die durch die Asymmetrie oder den Defekt des Kurzschlussringes verursacht wird, nimmt mit dem Anstieg des Kurzschlussstroms zu, und damit steigt sie mit der Leistung des Motors. Bei Zweipolmaschinen ist dies normalerweise deutlich erkennbar und messbar. Wenn während des Betriebs plötzlich eine Amplitudenmodulation der Lagererschütterungen auftritt und diese Modulation von der Leistung abhängt, kann mit großer Sicherheit auf einen Rotorfehler geschlossen werden. Wenn die Amplitudenmodulation immer vorhanden war oder nicht von der Leistung abhängt, liegt höchstwahrscheinlich eine Rotor-Exzentrizität vor."
Die Exzentrizität des Rotors
Die Exzentrizität des elektromagnetischen Feldes des Rotors kann aufgrund der exzentrischen Geometrie des Rotors oder gebrochener Stäbe oder Kurzschlussringe entstehen. Im Folgenden befassen wir uns nur mit den Phänomenen, die auf geometrische Rotorfehler zurückzuführen sind (die gebrochenen Stäbe oder Kurzschlussringe wurden bereits behandelt). Die geometrische Exzentrizität des Rotors kann auf Fertigungsungenauigkeiten oder Betriebseinflüsse – meist thermische – zurückzuführen sein. Da die Ausbalancierung der Rotoren normalerweise am Ende des Fertigungsprozesses erfolgt, ist die durch die Exzentrizität des Rotors verursachte mechanische (statische und dynamische) Unwucht in solchen Fällen nicht erkennbar, da sie ausgeglichen wurde. Betriebsbedingte Verformungen – wie thermische Verformungen – können jedoch eine Unwucht verursachen, die durch die für Unwuchten typischen Rotationsfrequenzspitzen sofort erkennbar ist.
Erklärung der Fachbegriffe
Schlupffrequenz
Bei Induktionsmotoren ist die Schlupffrequenz die Differenz zwischen der mechanischen Drehfrequenz und der Drehfrequenz des synchronen elektromagnetischen Feldes. Der Schlupf nimmt mit steigender Last zu, weshalb Motorprobleme am besten unter Volllast untersucht werden können. Der Schlupf wird durch das dimensionslose Symbol "s" angezeigt und kann wie folgt berechnet werden:
s = 1 – ( Ff / Fsyn ), wobei Ff die Drehfrequenz des Motors in Hz oder in U/min angegebene Motordrehzahl/60 Fsyn die Drehfrequenz des synchronen elektromagnetischen Feldes in Hz, also 2×Fh/P Fh die Netzfrequenz in Hz P die Anzahl der Pole des Stators Rutenfrequenz Die Rutenfrequenz ist das Produkt aus der Anzahl der leitenden Stäbe auf dem Rotorteil und der Drehfrequenz. Elektrisch angeregte mechanische (also Schwingungs-)Frequenz. Frúd = Ff × R, wobei Ff die Drehfrequenz des Motors in Hz oder in U/min angegebene Motordrehzahl/60 R die Anzahl der Stäbe auf dem Rotorteil Polmodulationsfrequenz Die Polmodulationsfrequenz ist das Produkt aus der Polzahl und der Schlupffrequenz. Die elektrisch angeregte Frequenz im elektromagnetischen Feld (bzw. im Stromversorgungssystem), die nur bei asynchronen Motoren auftritt und mechanische Schwingungen verursacht. Fpolm = Fs × P, wobei Fs die Schlupffrequenz des Motors in Hz, also 2×Fh/P-Ff Ff die Drehfrequenz des Motors in Hz oder in U/min angegebene Motordrehzahl/60 Fsyn die Drehfrequenz des synchronen elektromagnetischen Feldes in Hz, also 2×Fh/P P die Anzahl der Pole des Stators
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